тепловой сигнализатор уровня жидкости

Формула изобретения

Тепловой сигнализатор уровня жидкости, включающий датчик уровня, содержащий два последовательно соединенных и подключенных к источнику питания терморезистора, а также компаратор с входом опорного сигнала, выход компаратора предназначен для подключения к индикатору, отличающийся тем, что дополнительно содержит последовательно соединенные управляемый двухпозиционный переключающий ключ, аналого-цифровой преобразователь с заземленным корпусом и блок деления, выход которого соединен с измерительным входом компаратора, каждый из неподвижных контактов упомянутого ключа соединен с одним из терморезисторов, общая точка которых заземлена или соединена с корпусом аналого-цифрового преобразователя, при этом терморезисторы имеют температурные коэффициенты сопротивления одного знака и одинаковые коэффициенты теплоотдачи в газе, но их номинальные сопротивления отличаются друг от друга.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контроля уровня жидкости и может быть использовано, в частности, для контроля уровня топлива в топливном баке летательного аппарата.

Известны датчики, работа которых основана на разнице теплопроводности в жидкости и газе. При одинаковой теплопроизводительности терморезистора его установившаяся температура выше, когда терморезистор находится в газе, чем когда в жидкости. Измеряя сопротивление терморезистора, можно определять среду, в которой он находится.

Известен тепловой сигнализатор уровня жидкости [АС СССР 1723449, МКИ G 01 F 23/22, опубл. 30.03.92] , содержащий установленный в датчике уровня терморезистор, включенный в одно из плеч резистивного моста, соединенного через управляемый ключ с источником питания. Мост через дифференциальный усилитель подключен к входу компаратора. Сигнал о наличии/отсутствии жидкости (масла) в емкости подается на световой индикатор.

Указанный датчик может работать только в негорючих или трудно воспламеняющихся средах, например в автомобильном масле, и не может быть использован в топливных баках летательных аппаратов по следующим причинам. При опорожнении бака оставшийся в нем газ на больших высотах охлаждается до низкой температуры (до -50^oС). Соответственно, температура расположенного в газе терморезистора также понижается, что может стать причиной формирования ложного сигнала о наличии жидкости в месте установки датчика. Для исключения подобной возможности величина перегрева терморезистора, находящегося в газе, по отношению к температуре этого газа должна быть настолько значительной, чтобы любое понижение температуры терморезистора, вызванное уменьшением температуры газа, не могло привести к снижению сопротивления терморезистора до величины, соответствующей наличию жидкости в месте установки датчика. Указанный значительный перегрев терморезистора делает невозможным использование данного сигнализатора для работы в легко воспламеняющейся среде, например в авиационном топливе.

Указанный недостаток устранен в наиболее близком к предлагаемому изобретению и принятом за прототип тепловом сигнализаторе уровня жидкости [Патент США 5421202, опубл. 1995 г.].

В состав этого сигнализатора входят два последовательно соединенных терморезистора, запитанных от источника питания, установленных в датчике уровня и подключенных к измерительному входу компаратора, опорный вход которого соединен с выходом источника опорного сигнала, а выход - со входом формирователя выходной информации.

Температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) терморезисторов этого сигнализатора имеют взаимно противоположные знаки, вследствие чего при нагревании находящихся в газе терморезисторов током источника питания сопротивление терморезистора с положительным ТКС возрастает, а сопротивление терморезистора с отрицательным ТКС уменьшается.

При опорожнении бака, а следовательно, при нахождении датчика уровня с терморезисторами в газе, перегрев терморезисторов по отношению к температуре окружающего газа составляет относительно небольшую величину, допускаемую условиями безопасной эксплуатации контролируемой жидкости. Возможность относительно небольшого перегрева создается благодаря тому, что при понижении температуры газа и соответственном понижении температуры терморезисторов сопротивление терморезистора с положительным ТКС уменьшается, а сопротивление терморезистора с отрицательным ТКС увеличивается. При этом уменьшение суммарного сопротивления двух последовательно соединенных терморезисторов оказывается относительно незначительным и недостаточным для формирования ложного сигнала о наличии жидкости в месте установки датчика. Поэтому данный сигнализатор благодаря относительно небольшому перегреву терморезисторов может использоваться для контроля легко воспламеняющихся жидкостей, в частности для контроля авиационного топлива. Однако его недостатком является возможность формирования ложного сигнала об отсутствии жидкости в условиях, когда температуры жидкости и газа могут изменяться в широких пределах некоррелированно между собой.

Подобные условия возникают, например, при дозаправке летательного аппарата в полете относительно теплым топливом из летающего танкера, когда температура топлива, поступающего из танкера, может составлять +25^o...+30^oС, а температура газа в пустом топливном баке летательного аппарата на высоте может достигать -50^o...-60^oС. В этом случае переход терморезисторов датчика уровня из холодного газа в относительно теплую жидкость может привести к подогреву терморезисторов жидкостью, к повышению суммарного сопротивления и в конечном итоге к выдаче ложной информации об отсутствии жидкости в месте расположения датчика уровня.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача исключения возможности выдачи ложного сигнала об отсутствии жидкости при работе сигнализатора в широком диапазоне некоррелированых между собой температур жидкости и газа, в том числе при работе в легко воспламеняющихся жидкостях, например в авиационном топливе.

Поставленная задача решается тем, что в тепловом сигнализаторе уровня жидкости, включающем датчик уровня, содержащий два последовательно соединенных и подключенных к источнику питания терморезистора, а также компаратор с источником опорного сигнала, выход компаратора предназначен для подключения к индикатору, новым согласно изобретению является то, что сигнализатор дополнительно содержит последовательно соединенные управляемый двухпозиционный переключающий ключ, аналого-цифровой преобразователь с заземленным корпусом и блок деления, выход которого соединен с измерительным входом компаратора, каждый из неподвижных контактов упомянутого ключа соединен с одним из терморезисторов, общая точка которых заземлена или соединена с корпусом аналого-цифрового преобразователя, при этом терморезисторы имеют температурные коэффициенты сопротивления одного знака и одинаковые коэффициенты теплоотдачи в газе, но их номинальные сопротивления отличаются друг от друга.

На чертеже показана функциональная схема заявляемого устройства.

Сигнализатор содержит два последовательно соединенных терморезистора 1 и 2, установленных в датчике 3 уровня, расположенном в баке 4, например в топливном баке летательного аппарата. Терморезисторы 1, 2 подключены к источнику питания 5. Терморезисторы 1, 2 имеют температурные коэффициенты сопротивления одного знака (либо оба имеют положительный ТКС, либо оба - отрицательный ТКС) и одинаковые коэффициенты теплоотдачи в газе, но их номинальные сопротивления отличаются друг от друга.

Устройство содержит управляемый двухпозиционный переключающий ключ 6, каждый из неподвижных контактов ключа соединен с одним из терморезисторов, а переключающий контакт соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 7, корпус которого заземлен, например соединен с корпусом летательного аппарата. Выход преобразователя 7 подключен к входу блока деления 8, а выход последнего подсоединен к измерительному входу компаратора 9, опорный вход которого соединен с выходом источника 10 опорного сигнала, а выход - с входом индикатора 11. Управляющие входы управляемого ключа 6 и блока 8 деления подключены к выходу генератора 12 управляющих импульсов. Общая точка терморезисторов 1, 2 заземлена, например соединена с корпусом летательного аппарата или соединена с заземленным корпусом аналого-цифрового преобразователя 7.

Сигнализатор работает следующим образом.

При выборе терморезисторов 1, 2, например из условия, что сопротивление первого больше, чем второго, т.е. R₁=KR₂, где К>1 - безразмерный коэффициент, при прохождении тока источника 5 терморезистор 1 нагреется до более высокой температуры, чем терморезистор 2. В результате сопротивление R₁(Т) изменяется при нагревании терморезистора 1 на относительно большую величину, чем сопротивление R₂(Т) терморезистора 2 и в случае, если ТКС терморезисторов 1, 2, например, положительны, отношение сопротивлений R₁(Т), R₂(Т) становится большим величины К, т.е.:

R₁(Т)/R₂(Т)>K (газ). (1)

При нахождении датчика 3 в жидкости температура каждого из установленных в нем терморезисторов 1, 2 практически равна температуре жидкости, в связи с чем отношение сопротивлений терморезисторов, имеющих одинаковую температуру, остается неизменным и равным коэффициенту К, т.е.:

R₁(Т)/R₂(Т)=К (жидкость). (2)

В случае, если выбраны терморезисторы с отрицательными ТКС, условие (1) имеет вид

R₁(Т)/R₂(Т)<К (газ),

а условие (2) не изменяется.

Эксперименты показали, что условия (1) и (2) являются достаточными для надежного различения жидкости и газа в месте установки датчика 3 независимо от абсолютных значений и степени взаимной корреляции температур жидкости и газа при минимальном перегреве терморезисторов 1 и 2 к температуре окружающей среды.

При подготовке сигнализатора к эксплуатации необходимо определить значение отношения К= R₁/R₂ номинальных значений терморезисторов 1, 2 и установить величину опорного сигнала, соответствующую величине К.

Если контакты переключающего ключа 6 находятся в положении, показанном на чертеже, то аналоговый сигнал о значении сопротивления R₁(T) терморезистора 1, погруженного в жидкость, поступает через замкнутую контактную пару ключа 6 на вход аналого-цифрового преобразователя 7 и после преобразования в цифровую форму передается в блок деления 8, где фиксируется в памяти блока. При подаче на управляющие входы переключающего ключа 6 и блока деления 8 управляющих импульсов, формируемых генератором 12 управляющих импульсов, контактная группа ключа 6 переключается и на вход аналого-цифрового преобразователя 7 поступает сигнал о величине сопротивления R₂(Т) терморезистора 2, который преобразуется в цифровую форму и поступает на вход блока деления 8. Блок 8 выполняет операцию деления хранящегося в его памяти числа, соответствующего значению сопротивления R₁(Т), на поступившее на вход число, соответствующее значению сопротивления R₂(Т). Сигнал, соответствующий результату этого деления R₁(T)/R₂(Т), через измерительный вход подается в компаратор 9, выполняющий его сравнение с сигналом, соответствующим числу К, поступающим на опорный вход компаратора с выхода источника 10 опорного сигнала. Если результат сравнения соответствует условию (2) R₁(Т)/R₂(Т)=К, то на вход индикатора 11 с выхода компаратора 9 поступает сигнал о наличии жидкости в месте установки датчика 3. Если результат сравнения соответствует условию (1)

R₁(T)/R₂(T)K,

то на вход индикатора 11 поступает сигнал об отсутствии жидкости. Операция формирования сигналов о наличии или отсутствии жидкости, как это следует из (1) и (2), не зависит от температуры среды и надежно выполняется в широком диапазоне некоррелированных между собой температур жидкости и газа. Устройство не требует существенного перегрева терморезисторов по отношению к температуре окружающего газа, что позволяет использовать предлагаемый сигнализатор во взрывоопасных средах. Сигнализатор может работать и выдавать достоверную информацию даже при дозаправке летательного аппарата в полете относительно теплым топливом из летающего танкера.